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第十章污（废）水深度处理和微污染源水预处理中的微生物学原理1．污（废）水为什么要脱氮除磷？答：污（废）水需要脱氮除磷的原因如下：（1）在好氧生物处理中，生活污水经生物降解，大部分的可溶性含碳有机物被去除，同时会产生NH3-N、NO3--N和PO43-、SO42-，其中，只有25％的氮和19％左右的磷被微生物吸收合成细胞，通过排泥得到去除，出水中的氮和磷含量仍未达到排放标准。
（2）氮和磷是生物的重要营养源。
但水体中氮磷过多，危害极大。
最大的危害是引起水体富营养化，蓝藻、绿藻等大量繁殖后引起水体缺氧，产生毒素，进而毒死鱼虾等水生生物和危害人体健康，使水源水质恶化。
不但影响人类生活，还严重影响工农业生产。
2．微生物脱氮工艺有哪些？答：微生物脱氮工艺有A/O、A2/O、A2/O2、SBR等工艺。
反硝化有单级反硝化和多级反硝化。
根据不同水质，通常有以下3种组合工艺，即碳氧化、硝化和反硝化三者的不同组合方式。
（1）碳氧化、硝化、反硝化分级（2）碳氧化和硝化结合，反硝化分级（3）碳氧化、硝化、反硝化结合3．叙述污（废）水脱氮原理。
答：污（废）水脱氮原理如下：（1）概述脱氮是先利用好氧段经硝化作用，由亚硝化细菌和硝化细菌的协同作用，将NH3转化为NO2--N和NO3--N。
再利用缺氧段经反硝化细菌将NO2--N（经反亚硝化）和NO3--N （经反硝化）还原为氮气（N2），溢出水面释放到大气，参与自然界氮的循环。
（2）具体反应机理①硝化短程硝化：全程硝化（亚硝化＋硝化）：②反硝化反硝化脱氮：厌氧氨氧化脱氮：厌氧氨氧化脱氮：厌氧氨反硫化脱氮：4．参与脱氮的微生物有哪些？它们有什么生理特征？答：参与脱氮的微生物及其生理特征如下：（1）硝化作用段及微生物①好氧氨氧化细菌好氧氨氧化细菌即好氧的亚硝化细菌，以NH3为供氢体，O2作为最终电子受体，产生HNO2。
其中的亚硝化叶菌属在低氧压下能生长，化能无机营养，氧化NH3为HNO2，从中获得能量供合成细胞和固定CO2。
1（24分）名词解释（1）好氧反硝化NO3、O2均可作为电子最终受体：即电子可从被还原的有机物基质传递给O2，也可传递给NO3-、NO2-和N2O，并分别将它们还原。
（2）短程硝化-反硝化短程硝化反硝化是利用硝酸菌和亚硝酸菌在动力学特性上存在的固有差异，控制硝化反应只进行到NO2--N阶段，造成大量的NO2--N累积，然后就进行反硝化反应。
（3）同步硝化反硝化根据传统生物脱氮理论，脱氮途径一般包括硝化和反硝化两个阶段，硝化和反硝化两个过程需要在两个隔离的反应器中进行，或者在时间或空间上造成交替缺氧和好氧环境的同一个反应器中；实际上，较早的时期，在一些没有明显的缺氧及厌氧段的活性污泥工艺中，人们就层多次观察到氮的非同化损失现象，在曝气系统中也曾多次观察到氮的消失。
在这些处理系统中，硝化和反硝化反应往往发生在同样的处理条件及同一处理空间内，因此，这些现象被称为同步硝化/反硝化（SND）。
（4）聚磷菌又称聚磷菌。
指能过量吸磷并能储存磷的微生物，如不动杆菌属、气单胞菌属、棒杆菌属、微丝菌等，具有厌氧释磷，好氧（或缺氧）超量吸磷的特性。
常被用于活性污泥法中的生物除磷（5）微污染水源水指受到有机物、氨氮、磷、藻类及有毒污染物较低程度污染的水.（6）人工湿地人工湿地是人工建造和监督控制的类似自然湿地的系统，通过对湿地自然生态系统中的物理、化学和生物作用的优化组合来进行废水的处理。
2（8分）简述微生物脱氮除磷的原理。
脱氮原理：1）好氧段：脱碳硝化脱碳——氧化去除BOD、COD●硝化——NH3/NH4+→NO2-→NO3-●硝化反应消耗碱度，因此要加碱，防止pH值下降2）缺氧段—反硝化●反硝化：NO3--N还原为N2，溢出水面释放到大气●碳源：既可以投加CH3OH，也可引入原水中BOD除磷原理：依靠聚磷菌（兼性厌氧菌）厌氧时释放磷，好氧时聚磷，再通过排泥从污水中除去细菌（磷）。
3（16分）简述污水处理过程中硝化过程和反硝化过程的运行操作条件。
第四章污、废水深度处理和微污染源水预处理中的微生物学原理第一节污、废水深度处理——脱氮、除磷与微生物学原理一、污、废水脱氮、除磷的目的和意义污、废水一级处理只是除去废水中的砂砾及大的悬浮固体。
去除COD约30％左右。
二级生物处理则是去除废水中的可溶性有机物。
在好氧生物处理中，生活污水经生物降解，大部分的可溶性含碳有机物被去除。
去除COD 70％～90％，BOD5去除90％以上。
同时产生NH3-N、N03--N和P043-、S042-。
其中有25％的氮和19％左右的磷被微生物吸收合成细胞，通过排泥得到去除。
但出水中的氮和磷含量仍未达到排放标准。
有的工业废水如味精(谷氨酸)废水和赖氨酸废水含氨氮(NH3-N)非常高，味精浓废水含氨氮6 000 mg／L左右。
COD更高，60 000～80 000 mg／L，BOD5约为COD的一半。
氮和磷是生物的重要营养源。
但水体中氮、磷量过多，危害极大。
最大的危害是引起水体富营养化。
蓝藻、绿藻等大量繁殖后引起水体缺氧，产生毒素，进而毒死鱼、虾等水生生物和危害人体健康。
使水源水质恶化。
不但影响人类生活，还严重影响工、农业生产。
鉴于以上原因，脱氮除磷非常重要。
若水体中磷含量低于0．02 mg／L可限制藻类过度生长。
上海地方标准规定，氨氮排放标准在15 mg／L以下。
二、天然水体中氮、磷的来源主要来自城市生活污水，来自农业施肥(氮)和喷洒农药(磷等)，来自工业废水，如化肥、石油炼厂、焦化、制药、农药、印染、腈纶及洗涤剂等生产废水，食品加工、罐头食品加工及被服洗涤服务行业的洗涤剂废水，以及禽、畜粪便水。
城市生活污水含氮量见表2．4-1。
三、微生物脱氮工艺、原理及其微生物(一)微生物脱氮工艺可采用A／0、A2／0、A2／02、SBR等，工艺均可取得较好脱氮效果。
经厌氧-好氧或缺氧-好氧等的合理组合处理，既可去除COD和BOD，又可去除氨氮，脱氮工艺也可除磷。
(二)脱氮原理脱氮首先利用设施内好氧段，由亚硝化细菌和硝化细菌的硝化作用，将NH3转化为NO3--N。
第二篇微生物生态与环境生态工程中的微生物应用李宁第十章污（废）水深度处理和微污染源水预处理中的微生物学原理第一节污（废）水深度处理-----脱氮、除磷与微生物学原理第二节微污染水源水预处理中的微生物学原理(略)第三节人工湿地中微生物与水生植物净化污（废）水的作用(略)第四节饮用水的消毒与其微生物学效应(略)重点/难点：污（废）水深度处理废水生物处理的基本过程第一节污（废）水深度处理-----脱氮、除磷与微生物学原理4一、废水脱氮除磷的目的意义氮磷物质进入水体，就会造成很大的危害，其中最大的问题就是引起水体富营养化。
因此，废水的除磷脱氮十分重要，尤其是当废水处理后被排入一些湖泊、海湾等敏感水体时。
5废水或污水中的营养元素（N、P）对水体和人类的危害有哪些？(1) 使水味变得腥臭难闻；(2) 降低水体的透明度；(3) 消耗水体的溶解氧；(4) 向水体释放有毒物质；例如：NO3−和NO2−可被转化为亚硝胺(三致物质) ；水中NO2−高，可导致婴儿患变性血色蛋白症“Bluebaby”；•污、废水脱氮、除磷的具体指标⏹一级标准⏹废水磷含量在≤0．5mg/L⏹氨氮≤15mg／L二、废水生物脱氮原理及工艺问题：1、生物脱氮的机理？2、生物脱氮的影响因素？10二、废水生物脱氮原理及工艺1.生物脱氮原理生物脱氮首先是利用好氧过程，由亚硝化细菌和硝化细菌将废水中的NH 3转化成NO 3--N ，再利用缺氧段经反硝化作用，将NO 3--N还原成氮气（N 2），溢出水面释放到大气中，从而减少水中的含氮物质，降低对水体的潜在威胁。
11（1）氨化（Ammonification ）（2）硝化（Nitrification ）（3）反硝化（Denitrification ）（1）Ammonification•微生物分解有机氮化合物产生氨的过程称为氨化作用，很多细菌、真菌和放线菌都能分解蛋白质及其含氮衍生物，其中分解能力强，并释放出氨的微生物称为氨化微生物，在氨化微生物的作用下，有机氮化合物分解、转化为氨态氮，以氨基酸为例：–RCHNH 2COOH + H 2O →RCOHCOOH + NH3–RCHNH 2COOH + O2 →RCOCOOH + CO 2+ NH3（2）Nitrification•硝化反应是在好氧条件下，自养型的硝化菌将NH4+转化为NO2-和NO3-的过程。
两组自养型硝化菌分步完成：–①亚硝酸盐细菌（Nitrosomonas）；–②硝酸盐细菌（Nitrobacter）。
•亚硝化细菌和硝化细菌在自然界广泛分布，在土壤、淡水、海水和污水处理系统中均有发现。
•它们是革兰氏阴性的好氧菌，营化能无机营养。
生长率低，对环境条件变化较为敏感。
温度，溶解氧，污泥龄，pH，有机负荷等都会对它产生影响。
（2）Nitrification•硝化细菌同化合成细胞的反应式：•NH4++1.86O2+0.99CaCO3→0.98NO3-+0.02C5H7NO2+0.89CO2+1.93H2O+0.99Ca2+•每氧化1gNH4+-N为NO3--N，要消耗4.25gO2、7.07g碱度（以CaCO3计）和0.85g无机碳。
合成0.16g新细胞。
（2）Nitrification。
比生长速率μ：每小时单位质量的菌体所增加的菌体量称为菌体比生长速率。
它是表征微生物生长速率的一个参数，也是发酵动力学中的一个重要参数。
其大小为0.693除以倍增时间td （菌体量倍增）。
（3）Denitrification•反硝化反应是指在无氧的条件下,反硝化菌将硝酸盐或亚硝酸盐再被还原为气态氮（N2）的过程。
•反硝化菌属异养，兼性厌氧菌，在有氧存在时，它会以O2为电子进行呼吸；在无氧而有NO3-或NO2-存在时，则以NO3-或NO2-为电子受体，以有机碳为电子供体和营养源进行反硝化反应。
硝酸盐（NO 3-）亚硝酸盐（NO 2-）一氧化氮（NO ）一氧化二氮（N 2O ）氮气（N 2）硝酸盐还原酶亚硝酸盐还原酶NO 还原酶N 2O 还原酶大气反硝化过程与气态氮化物（3）Denitrification•外源反硝化：2CH 3OH+HNO 3+Ca(OH)2→0.2C 5H 7NO 2+0.4N 2+6[H]+CaCO 3+3.6[OH]每利用1g NO 3-反硝化，消耗1.03g 甲醇，产生0.37g 新细胞和1.61g 碱度•内源反硝化C 5H 7NO 2+4.6NO 3-→2.8N 2+1.2H 2O+5CO 2+4.6OH -反硝化反应是指在无氧的条件下,反硝化菌将硝酸盐或亚硝酸盐在被还原为气态氮（N 2）的过程。
（3）Denitrification•厌氧氨氧化脱氮：厌氧细菌，NH3以为供氢体（电子供体），以NO2-或NO3-为最终电子受体的一类氧化氨为N2的细菌。
NH3+HNO2→N2+2H2O2NH3+HNO3→1.5N2+3H2O+[H]•厌氧氨反硫化脱氮：NH3以为供氢体（电子供体），以SO42-为最终电子受体的一类氧化氨为N2的细菌。
2NH3+H2SO4→N2+S+4H2O（3）Denitrification碳源(BOD5/TKN>3)若碳源不够则需外加碳源（甲醇）3.脱氮的工艺A/O、A2/O、A2O2及SBR等均能取得较好的脱氮效果。
经过厌氧-好氧或缺氧-好氧的合理组合，既能除去COD和BOD，又能进行脱氮，还能除磷。
24•图A、B两种排列的A/O系统示意图•N-硝化，DN-反硝化，S-沉淀池25微生物脱氮工艺、原理及其微生物生物脱氮工艺三段生物脱氮工艺：将有机物氧化、硝化以及反硝化段独立开来，每一部分都有其自己的沉淀池和各自独立的污泥回流系统。
废水好氧脱碳缺氧反硝化沉淀池好氧硝化沉淀池1好氧活性污泥回流缺氧活性污泥回流出水回流？•活性污泥法典型工艺——A/O工艺（缺氧、好氧工艺）A/O脱氮工艺两级滤池法工艺流程好氧脱碳硝化滤池进水厌氧反硝化滤池出水甲醇补充反硝化菌的碳源！利用进水中的BOD三、废水生物除磷原理及工艺•（BOD：N：P）100：5：1——微生物除碳的同时吸收磷元素用以合成细胞物质和合成ATP等，但只去除污水中约19％左右的磷。
某些高含磷废水中残留的磷还相当高，故需用除磷工艺处理。
1.生物除磷原理某些微生物在好氧时能大量吸收磷酸盐合成自身核酸和ATP，并且能逆浓度过量吸磷合成贮能的多磷酸盐颗粒（异染粒和PHB）在体内，供其内源呼吸用。
这些细菌称为聚磷菌(PAO)。
厌氧放磷部分污泥回流接种沉淀脱磷●一般来说，微生物在增殖过程中，好氧摄取的磷比在厌氧条件下所释放的磷多。
●因此，如果能创造厌氧、缺氧和好氧条件的交替，让聚磷菌首先在厌氧条件下释放磷，然后在好氧条件下充分过量地吸磷，尔后通过排泥，就可以达到从废水中去除磷物质的目的。
•2.参与生物除磷的微生物●具有聚磷能力的微生物目前所知绝大多数是细菌。
聚磷的活性污泥是由许多好氧异氧菌、厌氧异氧菌和兼性厌氧菌组成。
实质上是产酸菌（统称）和聚磷菌的混合群体。
●从种类上来看，聚磷能力强、数量占优势的有不动杆菌属（莫拉氏菌群）、假单胞菌属、气单胞菌属和黄杆菌属等60多种。
硝化杆菌中的亚硝化杆菌属、亚硝化球菌属、亚硝化叶菌属和硝化杆菌属、硝化球菌属等也具有聚磷能力。
生物除磷的影响因素•①溶解氧：在厌氧反应器内，DO< 0.2 mg/L；在好氧反应器内，DO为2mg/L左右。
•②污泥龄：污泥龄为30d，除磷率为40%；污泥龄为17d，除磷率为50%；污泥龄为5d时，除磷率高达87%；•③温度：在5-30°C的范围内，都可以取得较好的除磷效果；•3.生物除磷的工艺人们开发研究出多种废水生物除磷工艺，这些工艺在去除废水中磷的同时，还能有效去除水中的有机物和进行硝化或脱氮作用。
按照运行方式，可分为连续式和间歇式（序批式）两类。
常见的生物除磷工艺有：Bardenpho生物除磷工艺、Phoredox 工艺、A/O及A2/O、UCT工艺、VIP工艺、旁流除磷的Phostrip工艺、SBR等。
•图A/O工艺流程示意图（除磷）•A2/O工艺流程示意图同步脱氮除磷工艺•Anaerobic/Anoxic/Oxic •UCT工艺Anaerobic/Anoxic/Oxic工艺进水沉淀池厌氧池缺氧池好氧池剩余污泥出水内回流污泥回流进气管Anaerobic/Anoxic/Oxic工艺•工艺特点：–(1) 工艺流程比较简单；–(2) 厌氧、缺氧、好氧交替运行，不利于丝状菌繁殖，无污泥膨胀之虞；–(3) 无需投药，运行费用低；–(4) 污泥中含磷浓度高，具有很高的肥效。
UCT工艺（University of Cape town）UCT工艺（University of Capetown）•工艺特点：–（1）类似于A2/O工艺的脱氮除磷工艺；–（2）与A2/O工艺的不同之处在于沉淀池污泥是回流到缺氧池而不是回流到厌氧池，这样可以防止由于硝酸盐氮进入厌氧池，破坏厌氧池的厌氧状态而影响系统的除磷效率；–（3）增加了从缺氧池到厌氧池的缺氧池混合液回流，由缺氧池向厌氧池回流的混合液中含有较多的溶解性BOD，而硝酸盐很少，为厌氧段内所进行的发酵等提供了最优条件。
生物脱氮新技术传统的脱氮理论认为，把NH4+-N从废水中去除的过程必须通过先硝化而后再反硝化的过程才能实现，而近年来的许多研究表明，硝化反应不仅由自养菌完成，某些异养菌也可以进行硝化作用；反硝化不只在厌氧条件下进行，某些细菌也可在好氧条件下进行反硝化；而且，许多好氧反硝化菌同时也是异养硝化菌，基于上述认识，一些脱氮新工艺如同步硝化反硝化和全程自养脱氮等相继被开发出来，它们在脱氮过程中成功地解决了碳源矛盾和碱度平衡等传统硝化反硝化生物脱氮难以解决的问题，极大地推动了高效率生物完全脱氮的发展，同时也为各行业废水的高效生物脱氮处理技术的开发提供了新的思路和依据。
生物脱氮新技术•短程硝化反硝化•同步硝化/反硝化脱氮•厌氧氨氧化•全程自养脱氮短程硝化反硝化•从微生物学的角度看，短程硝化反硝化并不是什么新东西。
但在废水生物脱氮领域，一直流行着全程硝化和全程反硝化的理念和做法。
习惯成自然，突破传统理念的束缚就成了一种创新。
事实上，短程硝化反硝化工艺也确实具有不同于传统生物脱氮工艺的微生物特性。
经济学原理•短程硝化反硝化省略了NO 2-氧化到NO 3-及将NO 3-还原为NO 2-两个阶段NH 4++1.502 NO 2-+H 2O+2H +NH 4++ 2.0O 2NO 3-+H 2O+2H +短程硝化作用硝化作用供氧量节省25%6NO 2-+ 3CH 3OH + 3CO 23N 2+ 6HCO 3-+ 3H 2O 6NO 3-+ 5CH 3OH + CO 23N 2+ 6HCO 3-+ 7H 2O短程反硝化作用反硝化作用甲醇消耗量节省40%微生物学原理•基质专一性和物种远缘性•倍增时间的差异性。
